国外电磁兼容仿真软件及相关应用

计算机的飞速发展以及电磁场数值分析方法的不断进步，使得电磁兼容性仿真预测对军用装备产品设计的指导意义愈加明显。各种商用化软件的不断推出，更是加速了这一进程。在电子对抗、电磁兼容等领域，由于用户的迫切要求，出现了专门指导该领域专业设计的软件。美国、意大利、西班牙、俄罗斯、德国、英国、法国等世界先进国家的电磁兼容预测和分析技术已经形成一整套数字仿真和优化设计软件系统，而且一刻也没有停止过数值算法的完善和创新研究。

        1、国外发展概况

电磁仿真技术中运用的主要计算电磁学方法大致可分为2 类：精确算法和高频近似方法。精确计算方法包括差分法（FDTD，FDFD）、有限元（FEM）、矩量法（MoM）以及基于矩量法的快速算法（如快速多极子FMM 和多层快速多极子MLFMA）等，其中，在解决电大目标电磁问题中最有效的方法为多层快速多极子方法。高频方法一般可归作2 类：一类基于射线光学，包括几何光学（GO）、几何绕射理论（GTD）以及在GTD 基础上发展起来的一致性绕射理论（UTD）等；另一类基于波前光学，包括物理光学（PO）、物理绕射理论（PTD）、等效电磁流方法（MEC）以及增量长度绕射系数法（ILDC）等。PO 高频方法由于计算效率较高，对大目标的适应能力强，因此被广为采用。

基于这些方法，国外不仅形成了众多的预测仿真系统和软件，还建立了相应的EMC 数据库，可开展：1）各种军用平台电磁兼容性设计，包括大型舰船平台的天线布置设计、舱室内EMC 设计、系统内EMC 分析、系统间EMC 分析等；2）平台间EMC 分析，包括舰船编队的EMC 分析；3）EMP（电磁脉冲）仿真、各种载体EMP 效应及适应性分析；4）陆海空天电五维现代化战场电磁环境分析。

目前国外主要的商业软件主要如下：

         1.1 EMC2000软件

该软件由法国某公司研制，采用的计算方法主要是MoM，FDTD，FVO（有限体积法），PO/GO，GTD，UTD，PTD，ECM（等效电流法），在算法上与Ship EDF基本相同（增加了FVO），两者的分析功能非常接近。据介绍，EMC2000 可以对雷电、静电、电磁脉冲对目标的冲击效应进行仿真分析，可对复杂介质进行时域分析，对孔缝耦合进行计算，但没有RCS 计算功能。

        1.2 FEKO+Cable Mod软件

该软件由南非某公司研制，采用的数值算法主要是MoM，PO，UTD，FEM（有限元法）以及一些混合算法，在新版软件中增加了多层快速多极子算法（MLFMA），Cable Mod 功能和多种脉冲源（高斯、三角、双指数和斜波脉冲）的时域分析，可为飞机、舰船、卫星、导弹、车辆等系统的全波电磁分析提供解决手段，包括电磁目标的散射分析（图1）、机箱的屏蔽效能分析（图2）、天线的设计与分析（图3）、多天线布局分析（图4）、系统的EMC/EMI 分析、介质实体的SAR 计算、微波器件的分析与设计、电缆束的耦合分析等。

         1.3 Ansoft-HFSS软件

该软件由美国Ansoft公司研制，采用的主要算法是有限元法（FEM），主要应用于微波器件（如波导、耦合器、滤波器、隔离器、谐振腔）和微波天线设计（图5）中，可获得特征阻抗、传播常数、S 参数及电磁辐射场、天线方向图等参数和结果。该软件与FEKO 最早进入中国市场，并在国内拥有一定数量的用户。

         1.4 CST-SD 软件

德国CST 公司研制了基于有限积分技术（FIT，该技术类似于FDTD）的仿真软件CST-SD，主要用于高阶谐振结构的设计。它通过散射参数（S 参数）将复杂系统分离成更小的单元进行分析，具体应用范围主要是微波器件，包括耦合器、滤波器、平面结构电路、各种微波天线和蓝牙技术等。图6 是该软件对双指数脉冲信号沿电缆进入机箱后的效应进行仿真分析的结果。

(3)敏感设备:对敏感设备的建模主要是为了判断其是否发生干扰。判据对比敏感设备的电磁兼容阈值和通过耦合路径耦合的电磁干扰大小。对于传导干扰，可以通过分析到达敏感设备的电压/电流峰值、持续时间、周期等参数而判断是否发生干扰；对于辐射干扰可以通过敏感设备处的场强的频域分布判断是否发生干扰。

建立模型后，采用易于得到测量结果的简单例子进行仿真，将仿真结果与测量结果进行比较，并根据比较结果对模型进行反复修正，增强模型的匹配程度。

         2.2 日用电器电磁兼容仿真

计算机仿真技术是开展电磁兼容性问题研究的重要手段和方法，即通过理论计算对设备或系统的兼容程度进行分析、评估，其目的是预先指导设计，尽早发现并解决EMI问题。对于日用电器产品，必须了解并分析它的电磁环境，针对电磁兼容模型中的传导、耦合(感性/容性)及辐射三种现象及其原理进行全面的数值仿真试验，在产品设计开发初期及早把握其电磁性能，从而降低和消除电磁干扰，提高设备和系统的抗电磁干扰能力；日用电器产品的电磁兼容性研究的基本问题可归纳为：

(1)建立日用电器产品电磁兼容数据库

建立和完善各种日用电器EMC测试和整改措施的数据库，进行信息网络建设，实现资源共享的数据存储方式，为分析仿真提供数据资源，用户可以查询和鉴戒其他用户的设计经验，从而指导企业产品EMC设计或整改。

(2)建立基于计算机仿真技术

电磁兼容性预设计平台日用电器产品的电磁兼容性仿真设计包括三大方面：电路仿真、电磁场仿真和系统仿真。三个方面环环相扣构成一个完整的仿真设计流程。涉及环节包括从器件→部件→单机→整机→子系统→分系统→系统的整个流程。

在建立各种电器关键模型的基础上，以计算机工作站为硬件环境，以目前最先进的各种仿真工具作为软件平台，研制分析的程序，实现日用电器电磁环境的仿真，在完成原理图设计后，采用仿真工具进行布线前的信号完整性（SI）仿真和电磁干扰(EMl)仿真，确保重点信号线(如关键的时钟线、高速总线等)的信号完整性，为重点信号线选定匹配电阻、终端电阻、滤波电容等，并为布线设计提供重要的布线规则，提高布线质量。再进行线后的信号完整性分析、电磁兼容性分析、电源完整性分析以及可靠性计算和预测。

参考文献：

[1] 国外电磁兼容仿真软件发展概述 肖卫东; 潘涵 装备环境工程 2010，7（2）

[2] 汽车电磁兼容仿真流程的探讨 金楚涵 上海汽车 2009（3）

[3] 日用电器电磁兼容计算机仿真技术研究 符永高 环境技术 2007（4）